重力儀一次項系數(shù)對重力場動態(tài)變化的影響研究

梁偉鋒 劉 芳 祝意青 徐云馬 郭樹松 趙云峰 劉 練

1 中國地震局第二監(jiān)測中心，西安市西影路316號，710054

《地震重力測量規(guī)范》規(guī)定，G 型相對重力儀（CG－5、Burris等類型的高精度重力儀也適用此規(guī)范）的一次項系數(shù)一般每隔3a須使用重力長基線或短基線標(biāo)定一次。但在相對重力數(shù)據(jù)的處理工作中發(fā)現(xiàn)，CG－5型相對重力儀的一次項系數(shù)逐年變化，應(yīng)每年進(jìn)行實測標(biāo)定。在此思路基礎(chǔ)上，利用2011～2013喜馬拉雅項目在南北地震帶北段獲得的10多個絕對重力值作為基準(zhǔn)，運(yùn)用甘肅、寧夏和河西3個重力網(wǎng)的實測數(shù)據(jù)［1－6］對各重力儀的一次項系數(shù)進(jìn)行重新解算，然后對3個重力網(wǎng)2011～2013多期的相對重力測量資料進(jìn)行統(tǒng)一基準(zhǔn)的系統(tǒng)性整體解算，獲得南北地震帶北段近年來較大空間尺度的區(qū)域重力場動態(tài)變化圖像，研究重力儀一次項系數(shù)對重力場動態(tài)變化的影響及南北地震帶北段重力場動態(tài)變化的特征和規(guī)律，獲取南北地震帶北段的大尺度重力異常信息，探索重力變化和地殼運(yùn)動及構(gòu)造活動和地震發(fā)生的關(guān)系。

1 資料處理

對南北地震帶北段3個相互獨立觀測和分析研究的寧夏地震重力網(wǎng)、甘肅地震重力網(wǎng)和河西地震重力網(wǎng)2011～2013多期的相對重力測量資料，選取合適的擬穩(wěn)點，使用基線標(biāo)定的重力儀一次項系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一基準(zhǔn)的系統(tǒng)性整體解算，獲得南北地震帶北段近年來較大空間尺度的區(qū)域重力場動態(tài)變化圖像。利用2011～2013喜馬拉雅項目在南北地震帶北段獲得的10多個絕對重力值作為基準(zhǔn)，對甘肅、寧夏和河西3個重力網(wǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行儀器一次項的重新解算，然后進(jìn)行統(tǒng)一基準(zhǔn)的系統(tǒng)性整體解算，剔除不穩(wěn)定的點位，獲得重力場動態(tài)變化。

2 南北地震帶北段2011～2013的重力場變化

利用2011～2013喜馬拉雅項目在南北地震帶北段獲得的13個絕對重力點（西寧、岸門村、西寧基、西寧環(huán)2、中衛(wèi)、靈武、石嘴山、民和、景泰、西安州、雙墩、武都、豆坪）為基準(zhǔn)，對甘肅、寧夏和河西3個重力網(wǎng)的數(shù)據(jù)重新解算儀器的一次項后，再利用新解算的儀器一次項對3個重力觀測網(wǎng)組成的測網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一基準(zhǔn)的系統(tǒng)性整體經(jīng)典網(wǎng)平差解算，獲得南北地震帶北段的重力場動態(tài)變化。

2.1 半年尺度的重力場變化

圖1（a）顯示，2012－05～2012－10重力變化具有分區(qū)特征：1）甘東南總體為正負(fù)相間的變化，岷縣地區(qū)存在40μGal變化的局部重力異常；2）寧夏地區(qū)自南向北出現(xiàn)由負(fù)向正的趨勢性變化，并在海原、固原和隆德地區(qū)出現(xiàn)局部重力異常區(qū)；3）河西走廊地區(qū)重力變化不大，在±30μGal以內(nèi)。

圖1（b）顯示，2012－10～2013－06重力變化非常劇烈，具有以下3個特征：1）甘東南地區(qū)重力出現(xiàn)顯著差異運(yùn)動，臨夏重力正值變化，岷縣、天水重力負(fù)值變化，重力差異變化達(dá)150μGal，并沿岷縣－隆德形成重力變化高梯度帶，岷縣6.6級地震則發(fā)生在重力變化高梯度帶上；2）寧夏地區(qū)自南向北出現(xiàn)由正向負(fù)的趨勢性變化，并沿固原、隆德出現(xiàn)局部重力異常區(qū)及重力變化梯度帶；3）河西走廊地區(qū)重力變化不大，在±30μGal以內(nèi)。

2.2 1a和2a尺度的重力場變化

2011－05～2012－05重力場（圖2（a））反映出，青藏高原深部物質(zhì)向北東運(yùn)移過程中出現(xiàn)自西南向東北、由負(fù)向正的大空間尺度的趨勢性顯著重力變化，并沿祁連－海原大斷裂帶出現(xiàn)重力變化高梯度帶，該地區(qū)具有強(qiáng)地震發(fā)生的背景。

圖1 南北地震帶北段半年尺度的重力場變化Fig.1 The gravity varition during half an year scale of northern segment of north－south seismic belt

圖2 南北地震帶北段1a尺度的重力場變化Fig.2 The gravity varition during 1year scale of northern segment of north－south seismic belt

2012－05～2013－06 重力變化比較復(fù)雜（圖2（b）），具有以下3個特征：1）甘東南地區(qū)重力出現(xiàn)顯著差異運(yùn)動，臨夏重力正值變化，岷縣、天水重力負(fù)值變化，變化差異達(dá)150μGal，并沿岷縣－隆德形成重力變化高梯度帶，岷縣6.6級地震發(fā)生在重力變化高梯度帶上；2）寧夏地區(qū)自南向北出現(xiàn)由負(fù)向正的趨勢性變化，在海原、隆德出現(xiàn)與上期反向變化的重力局部異常；3）河西走廊地區(qū)在門源－天祝和祁連－民樂出現(xiàn)兩個局部重力異常區(qū)，并沿祁連山構(gòu)造帶出現(xiàn)重力變化梯度帶。

圖3 南北地震帶北段2a尺度的重力場變化Fig.3 The gravity varition during 2ascale of northern segment of north－south seismic belt

2011－05～2013－06重力場（圖3）反映出，青藏高原深部物質(zhì)向北東運(yùn)移過程中出現(xiàn)自西南向東北、由負(fù)向正的大空間尺度趨勢性顯著重力變化，重力變化非常劇烈，具有以下3個特征：1）甘東南地區(qū)重力在自南向北、由負(fù)向正的變化過程中，沿岷縣、天水之間形成重力變化高梯度帶，岷縣6.6級地震發(fā)生在重力變化高梯度帶上；2）寧夏地區(qū)在隆德出現(xiàn)幅值較大的局部重力異常，沿海原、隆德出現(xiàn)重力變化梯度帶；3）河西走廊地區(qū)沿祁連斷裂帶出現(xiàn)重力變化高梯度帶，并在門源、天祝發(fā)生轉(zhuǎn)折彎曲。寧夏海原－六盤山斷裂帶及門源－天祝一帶重力變化異常值得進(jìn)一步跟蹤。

3 重力儀一次項對解算結(jié)果及重力場變化的影響

3.1 重力儀一次項的解算結(jié)果

本次解算是利用2010年以來喜馬拉雅項目在南北地震帶北段獲得的10多個絕對重力值作為基準(zhǔn)，重新進(jìn)行儀器的一次項解算后獲得的重力場動態(tài)變化。結(jié)果顯示，LCR－G 型及Burris型金屬彈簧重力儀的一次項較穩(wěn)定（基本不變），CG－5型石英彈簧重力儀的一次項逐年減小，應(yīng)每年利用絕對基準(zhǔn)進(jìn)行實測標(biāo)定。

表1 解算過程中使用的一次項系數(shù)Tab.1 The first degree coefficient used in the calculating process

3.2 重力儀一次項系數(shù)實測標(biāo)定前后重力場動態(tài)圖像比較

針對重力儀一次項系數(shù)基線標(biāo)定和利用實測資料進(jìn)行標(biāo)定，分別對南北地震帶北段2011～2013的重力場變化進(jìn)行計算，根據(jù)計算結(jié)果得出重力場動態(tài)圖像。

1）2012－05～2012－10期間，重力儀一次項系數(shù)實測標(biāo)定前后南北地震帶北段重力場動態(tài)圖像總的趨勢一致，實測標(biāo)定后岷縣Ms6.6地震震中附近起伏性變化一致，寧夏地區(qū)重力變化量級小于標(biāo)定前，最大差異運(yùn)動由160μGal減少到110 μGal（圖4）。

2）2012－10～2013－06期間，重力儀一次項系數(shù)實測標(biāo)定前后南北地震帶北段重力場動態(tài)圖像總的趨勢一致，實測標(biāo)定后岷縣Ms6.6地震震中附近變化量級小于標(biāo)定前，最大差異運(yùn)動由240 μGal減少到150μGal，寧夏地區(qū)重力變化量級小于標(biāo)定前，最大差異運(yùn)動由190μGal減少到80 μGal（圖5）。

3）2011－05～2012－05期間，重力儀一次項系數(shù)實測標(biāo)定前后南北地震帶北段重力場動態(tài)圖像總的趨勢一致，實測標(biāo)定后變化量級略小于標(biāo)定前，最大差異運(yùn)動由160μGal減少到120μGal（圖6）。

4）2012－05～2013－06期間，重力儀一次項系數(shù)實測標(biāo)定前后南北地震帶北段重力場動態(tài)圖像總的趨勢一致，實測標(biāo)定后岷縣Ms6.6地震震中附近變化量級小于標(biāo)定前，最大差異運(yùn)動由240 μGal減少到150μGal，寧夏北部地區(qū)重力變化平緩（圖7）。

5）2011－05～2013－06期間，重力儀一次項系數(shù)實測標(biāo)定前后南北地震帶北段重力場動態(tài)累積圖像總的趨勢一致，實測標(biāo)定后岷縣Ms6.6地震震中附近變化量級小于標(biāo)定前，最大差異運(yùn)動由150μGal減少到100μGal，寧夏北部地區(qū)重力變化平緩（圖8）。

圖4 重力儀一次項實測標(biāo)定前后重力場變化比較（2012－05～2012－10）Fig.4 The gravity variation before and after the first degree coefficient calibrated（2012－05－2012－10）

圖5 重力儀一次項實測標(biāo)定前后重力場變化比較（2012－10～2013－06）Fig.5 The gravity variation before and after the first degree coefficient calibrated（2012－10－2013－06）

圖6 重力儀一次項實測標(biāo)定前后重力場變化比較（2011－05～2012－05）Fig.6 The gravity variation before and after the first degree coefficient calibrated（2011－05－2012－05）

圖7 重力儀一次項實測標(biāo)定前后重力場變化比較（2012－05～2013－06）Fig.7 The gravity variation before and after the first degree coefficient calibrated（2012－05－2013－06）

圖8 重力儀一次項實測標(biāo)定前后重力場變化比較（2011－05～2013－06）Fig.8 The gravity variation before and after the first degree coefficient calibrated（2011－05－2013－06）

總之，重力儀一次項系數(shù)實測標(biāo)定前后南北地震帶北段重力場動態(tài)圖像總的變化趨勢基本一致，只是實測標(biāo)定后重力變化的量級有所減小，資料分析更加可靠。至于海原－六盤山斷裂帶附近的重力變化是岷縣6.6級地震的響應(yīng)還是新地震的前兆，有待進(jìn)一步分析。

4 結(jié) 語

利用絕對重力測量結(jié)果對相對重力儀一次項系數(shù)進(jìn)行實測標(biāo)定后發(fā)現(xiàn)，LCR－G 型和Burris型金屬彈簧重力儀的一次項較穩(wěn)定，基本保持不變；CG－5型石英彈簧重力儀的一次項逐年減小，應(yīng)每年利用絕對基準(zhǔn)對其進(jìn)行實測標(biāo)定。

對南北地震帶北段的甘肅、寧夏和河西3個重力網(wǎng)的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行各重力儀一次項系數(shù)解算，再利用計算出的重力儀一次項系數(shù)對3個相互獨立觀測和分析研究的重力網(wǎng)2011～2013多期相對重力測量資料進(jìn)行統(tǒng)一基準(zhǔn)的整體解算，獲得南北地震帶北段近年來較大空間尺度的區(qū)域重力場動態(tài)變化圖像。結(jié)果表明，重力儀一次項系數(shù)實測標(biāo)定前后南北地震帶北段重力場動態(tài)圖像總的變化趨勢基本一致，只是重力變化量級有所減小，資料分析更加可靠。對于CG－5 重力儀觀測資料，計算分析時應(yīng)先對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行一次項系數(shù)解算，再利用計算得出的重力儀一次項系數(shù)進(jìn)行平差計算，得到的計算結(jié)果更加合理，震情分析更加可靠。

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